Stimulated Stokes und Antistokes Raman Scattering in Mikrosphärische Whispering Gallery-Modus Resona

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, neue optische Frequenzen mithilfe von mikrokugelförmigen Wisperecho-Modus-Resonatoren aus Siliciumdioxid zu erzeugen, die in der Optik und Photonik Anwendung finden, beispielsweise bei kompakten Laserquellen oder der biochemischen Sensorik. In Wisperecho-Modus-Mikroresonatoren kann Licht mit einer einzigartigen Kombination aus starker räumlicher Konfinierung und langer Kavitätslebensdauer geführt werden. Geringe Verluste sorgen für hohe Gütefaktoren.

Solche Resonatoren eignen sich ideal für nichtlineare optische Wechselwirkungen. Insbesondere zeigen Silica-Mikrokugeln ein großes Potenzial als Frequenzgeneratoren für kompakte, kontinuierliche, schmalbandige und abstimmbare Quellen. Das Interesse an der Verwendung von Fusionsverfahren zur Herstellung der elektrischen Mikrokugel beruht darauf, dass niedrige Streuverluste erzielt werden können und folglich sehr hohe Gütefaktoren möglich sind.

Wir verwendeten eine selbstgezogene Taper-Faser, um Licht in die Mikrokugeln einzukoppeln. Die hohe Koppeleffizienz und der hohe Resonator-Aufbaufaktor können nichtlineare Kerr-Effekte bereits bei geringer kontinuierlicher Pumpleistung hervorrufen. Die Demonstration des Taper-Verfahrens erfolgt durch Franco Cosi, einen Techniker aus unserem Labor.

Um eine Mikrokugel herzustellen, besorgen Sie sich zunächst ein Stück Faser. Sammeln Sie die Ausrüstung, die benötigt wird, um eine Mikrokugel aus einmodiger Silikafaser herzustellen. Dazu gehören die Faser, Aceton, ein optischer Beschichtungsentferner und ein Faserspalter.

Stellen Sie außerdem einen Fusionsplemper bereit. Entfernen Sie mit dem Abisolierwerkzeug etwa 1–2 cm der Acrylbeschichtung vom Ende der Faser. Reinigen Sie danach den abisolierten Bereich mit einem sauberen Tuch und Aceton.

Platzieren Sie das Ende der Faser in den Faserabspliter und schneiden Sie sie ab, um den abisolierten Bereich zu isolieren. Sammeln Sie die abgeschnittene Faser vom Abspliter auf. Bewegen Sie die Faserspitze zum Fusionsspleißer.

Positionieren Sie dort die Faser und halten Sie sie gemäß den Anweisungen des Herstellers fest. Schließen Sie die Abdeckung, überprüfen Sie, ob die Lichtbogenleistung und die Lichtbogendauer korrekt eingestellt sind, und starten Sie anschließend den Lichtbogen. Überwachen Sie den Fortschritt auf dem Display.

Während der Lichtbogen das Glas schmilzt, beginnt sich die Faserform aufgrund der Oberflächenspannung zu einer Kugel zu formen. Sobald die Kugelform entsteht, stoppen Sie den Lichtbogen und öffnen Sie die Abdeckung. Greifen Sie die Faser in der Halterung an, drehen Sie sie um 90 Grad, um die kugelförmige Gestalt zu bewahren, und befestigen Sie die Faser danach erneut fest.

Schließen Sie die Abdeckung und starten Sie den Lichtbogen erneut. Durch mindestens drei solcher 90-Grad-Drehungen innerhalb von fünf bis zehn Minuten entsteht eine Mikrokugel von etwa 160 Mikrometern. Wenn Sie die Mikrokugel zusammen mit ihrem Faserstiel entfernen, sollten Sie vorbereitet sein, sie zu lagern oder innerhalb eines Tages zu verwenden.

Dieser T-förmige Halter kann auf einer Translationsstufe montiert werden und wird für Lichtkoppel-Experimente verwendet. In der Mitte verfügt er über einen Kanal für den Faserstumpf der Mikrokugel. Platziere das verbleibende Ende des Faserstumpfs der Mikrokugel in dem Kanal, sodass die Mikrokugel oberhalb des Halters ungehindert ist.

Befestigen Sie den Stamm mit durchsichtigem Klebeband. Erstellen Sie nun eine konische Faser, um Licht in die Mikrokugel einzukoppeln. Dazu benötigen Sie ein Gerät, das die Faserenden langsam auseinanderziehen kann.

Beginnen Sie mit einem Stück Einmoden-Siliciumdioxidfaser und bestimmen Sie deren Mittelpunkt. Entfernen Sie mithilfe eines optischen Ummantelungsabstreifers etwa 3–4 cm der Ummantelung um diesen Punkt herum. Danach schieben Sie einen Aluminiumoxidzylinder über den abisolierten Bereich der Faser, der als Ofen fungieren soll.

Verbinden Sie anschließend ein Ende der Faser mit einem Laser, der bei 635 Nanometern arbeiten kann, indem Sie einen blanken Faser-Stecker verwenden. Schließen Sie das andere Ende der Faser an ein Leistungsmessgerät an. Sobald die Faser positioniert ist, richten Sie eine Sauerstoff-Butan-Flamme so ein, dass sie den Aluminiumoxid-Zylinder auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt von Siliziumdioxid, etwa 2.100 Grad Celsius, erhitzt.

Starten Sie den Faserauszug, sodass sich die beiden Enden langsam voneinander entfernen. Überwachen Sie bei eingeschaltetem 635-Nanometer-Laser die durch die Faser übertragene Leistung mit dem Leistungsmessgerät. Sich ändernde Werte spiegeln den laufenden Taperprozess wider.

Zu diesem Zeitpunkt das Ziehen der Faser stoppen und die Flamme löschen. Gelegentlich die Faser vom Eingang des Leistungsmessgeräts entfernen, um das Faserende auf eine Strahlkarte zu projizieren und zu überprüfen, ob während des Taperprozesses ein homogener, kreisförmiger Lichtfleck erhalten bleibt. Arbeiten Sie mit der Faser, nachdem sie von allen Geräten, einschließlich des Zylinders, befreit wurde.

Platzieren Sie eine auf U-Form zugeschnittene Glasobjektträgerplatte in der Nähe der Verjüngung der Faser. Danach legen Sie die Faser mit der Verjüngung mittig auf die U-Form. Halten Sie die Faser straff und tragen Sie Klebstoff an den Stellen auf, wo Faser und Objektträger überlappen, um die Faser zu fixieren. Bereiten Sie nun die Kopplung von Licht in die Mikrokugel mittels der verjüngten Faser vor.

Verwenden Sie hierfür separate Translationsstufen für die Mikrokugel und die abgeschliffene Faser. Befestigen Sie den T-förmigen Halter mit der Mikrokugel auf einer Stufe mit piezoelektrischen Aktuatoren, sodass die Mikrokugel nach oben weist. Auf der anderen Translationsstufe befestigen Sie den Objektträger, wobei die Faser senkrecht zum Stamm der Mikrokugelfaser ausgerichtet ist.

Verwenden Sie ein abgeschlossenes Glasfaserkabel, um ein Ende der abgesetzten Faser mit einem abstimmbaren Diodenlaser zu verbinden. Schließen Sie das andere Ende an einen Indium-Gallium-Arsenid-Photodiodendetektor an. Platzieren Sie nun beide Translationsstufen unterhalb des Mikroskoprohrs, das zur Beobachtung des Spalts zwischen der Mikrokugel und dem Absatz verwendet wird.

Beide sollten so angeordnet werden, dass sich der Fasertaper und die Mikrokugel innerhalb der Hubweite der Translationsstufen befinden. Zusätzlich sollte ein Spiegel in einem Winkel von 45 Grad zur Mikroskopröhre platziert werden, um die vertikale Position des Tapers zu überwachen. Positionieren Sie die Mikrokugel mithilfe ihrer Translationsstufe und des Rückmeldesignals der Mikroskopröhre.

Das Ziel besteht darin, den Äquator der Mikrokugel mit dem Taper in Kontakt zu bringen. Sobald dies erreicht ist, schalten Sie den Dauerstrichlaser ein und überwachen das Transmissionsspektrum auf einem Oszilloskop. Stimmen Sie den Laser so ab, bis im Spektrum lorentzförmige Einbrüche aufgrund von Resonanzen erscheinen.

Messen Sie die Resonanzlinienbreiten und berechnen Sie den Gütefaktor. Fahren Sie das Experiment fort, indem Sie die Kopplungseffizienz in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Taper und der Kugel untersuchen. Die Faserkopplung ist entscheidend, um eine gute Resonanz zur Anregung nichtlinearer Effekte zu finden.

Eine gute Resonanz ist schmal und weist bei geringer Leistung einen hohen Kontrast auf. Bereiten Sie den Aufbau zur Realisierung der stimuliulierten Raman-Streuung vor. Licht von einem abstimmbaren Diodenlaser, der bei 15.015 Nanometern arbeitet, tritt in die abgesetzte Faser ein.

Hinter dem Laser befindet sich ein mit Erbium dotierter Faser-Verstärker, um die Laserleistung zu erhöhen und den nichtlinearen Effekt zu erzielen. Danach folgt ein Dämpfungsglied und anschließend ein integrierter Faserpolarisator. Das Licht durchläuft dann den Taper, der mit einer Mikrokugel gekoppelt ist.

Nach dem Durchlaufen des Mikrosphärenresonators befindet sich ein 3-Dezibel-Milliwatt-Teiler. Ein Ausgang des Teilers führt zu einem optischen Spektrumanalysator. Der andere führt zu einem Photodetektor, der mit einem Oszilloskop verbunden ist.

Stellen Sie den Laser von hohen zu niedrigen Frequenzen ein, um eine thermische Selbstverriegelung zu erreichen. Beobachten Sie auf dem Oszilloskop eine Resonanz, deren thermische Drift vergleichbar mit der Wellenlängen-Scan-Geschwindigkeit ist. Die Resonanz wird sich verbreitern, sobald die thermische Selbstverriegelung erreicht ist.

Überprüfen Sie die Ausgangsleistung, die zum optischen Spektrumanalysator gelangt. Verstellen Sie den Dämpfungsglied, um die Leistung zu erhöhen, bis die Raman-Laserlinie erscheint. Die Raman-Laserlinie ist um etwa 13,5 Terahertz gegenüber der Pumpwellenlänge verschoben.

Dies ist eine Messung eines Mikrokügelchens mit einem Durchmesser von 50 Mikrometern, das bei etwa 1.547 Nanometern gepumpt wird. Auf beiden Seiten der Pumpwellenlänge befinden sich zwei Viererwellenmischungs-Linien in einem Abstand von etwa 13 Nanometern. Zwei stimulierten Raman-Streu-Linien liegen bei etwa 1.610 und 1.710 Nanometern.

Die Messungen einer 98 Nanometer großen Kugel ergaben ähnliche Ergebnisse. In diesem Fall liegt das Pumpmaximum bei 1.551 Nanometern. Die stimulierte Raman-Streuungslinie ist bei 1.646 Nanometern zentriert.

Die stimulierte anti-Stokes-Raman-Streuungslinie liegt bei etwa 1.452 Nanometern. Die symmetrischen Linien in der Nähe der stimulierte anti-Stokes-Linie stammen von entarteter Vier-Wellen-Mischung. Ein Raman-Konus ist bei 1.666 Nanometern zentriert.

Das Spektrum von einem Mikrosphäre mit 40-Mikrometer-Durchmesser liefert Hinweise auf eine verstärkte anti-Stokes-Emission, wenn ihre Frequenz mit dem Hohlraummodus resonant ist und phasenabgestimmt mit der Pumpe und dem stimulierte Stokes-Signal. Die Pumpfrequenz beträgt 1.540 Nanometer, die Stokes-Linie liegt bei 1.630 Nanometern und die anti-Stokes-Linie bei 1.460 Nanometern. Dieses Spektrum von einer 65-Mikrometer-Mikrosphäre weist ein Verhältnis von stimulierte anti-Stokes- zu stimulierte Stokes-Streuung nahezu eins auf.

Die Pumpfrequenz liegt bei 1.572 Nanometern, die Stokes-Linie bei 1.640 Nanometern, die Anti-Stokes-Linie bei 1.490 Nanometern. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man hochwertige Silica-Mikrokugeln herstellt, wie man einen Fasertaper zieht und wie man Licht effizient in einen Mikroresonator einkoppelt, um grundlegende Licht-Materie-Wechselwirkungen zu untersuchen. Die elektrischen Mikrokugeln sind photonische Plattformen, die in der modernen Optik eine äußerst wichtige Rolle spielen.

Sie können aufgrund ihrer Fähigkeit, Licht über lange Zeiträume in sehr kleinen Volumina zu konfinieren, für die nichtlineare Frequenzumwandlung im kontinuierlichen Wellenbetrieb (CW) genutzt werden. Die bereits demonstrierten Mikroresonator-Technologien lassen sich ebenfalls effektiv für die Biosensorik einsetzen. Unsere Gruppe erzielt auf diesem Gebiet hervorragende Ergebnisse.